2020年民用航空发动机技术发展综述

赛斯纳337eVTOLGE9XMS-21

李东海
　　2020年，世界民用航空发动机领域延续了近年来的发展趋势，以美国GE9X和俄罗斯PD-14为代表的各国新一代民用航空发动机产品的研制稳步推进，各自取得了新的里程碑节点，距离完全服役越来越近。
　　欧洲高度关注氢动力飞机
2020年5月，在欧盟“地平线2020”框架计划资助下，麦肯锡公司与“洁净天空2联盟”、“燃料电池与氢能2联盟”合作，发布了《氢动力航空》报告。该项研究是欧盟“洁净天空”航空减排总体规划的一部分，研判了基于氢燃料的运输航空的技术可行性、机型设计路线、经济性和环境影响。该项目针对5种商用飞机类型（通勤、支线、近程、中程和远程）进行模拟，为每种类型定义了一款“最有发展前景”的氢动力飞机设计，包括燃料电池、氢涡轮机或氢涡轮机和燃料电池的混合。
　　经评估，氢能是通勤、中程飞机的最佳推进燃料，合成燃料则为远程飞机的最佳推进燃料。从经济角度来看，中短途航班采用氢能推进对减轻气候影响的效果可能会超过合成燃料。对于宽体远程喷气飞机，由于氢气系统的复杂性和尺寸呈螺旋式上升，因此最合适的选择不是氢气。相反，他们将依靠合成燃料。因此，氢气是解决方案的主要部分，但不是全部。
　　8月，德宇航和MTU航空发动机公司签署了学术合作备忘录，将研究重点放在燃料电池推进系统上，两家将共同对该系统进行开发和验证。为了开发和验证此类技术，两位合作伙伴计划为道尼尔228飞机配备氢燃料电池和两台轴功率超过500kW的电动机，分别驱动两个螺旋桨，并在未来几年进行飞行测试。联合技术项目的目的是开发适用于航空及其冷却条件的电推进系统。两个合作伙伴的目标是2026年实现道尼尔228验证机的首飞。DLR提供和运用项目研究所需飞机，还负责动力系统的集成和认证。该研究所还将在飞行测试、气动力学和航空弹性领域提供专业知识。
　　电推进飞机持续升温多国政府和企业开展多项目推进
　　除仍在持续推进轻型飞机可用的混合电推进系统外，鉴于较大的支线和商用客机是航空碳排放的主要来源，欧美政府已经开始考虑在70座及以上大型飞机，航程数千公里的飞机采用电气化推进系统的可行性。目前欧洲和美国已经开展了政府投资的研究项目，研究上述飞机采用的电推进技术。
　　1月，33家欧洲航空研究单位及工业合作伙伴发起了“混合电推进技术研究及成熟”计划，评估商用航空减排潜力并制订混电技术路线图。欧委会在地平线2020研究计划下，向该计划投资1040万欧元，该计划将对混合动力飞机的电气技术进行深入研究，深度研究混合电推进技术、先进的飞机结构以及新颖的飞发一体化结构。
　　此外，还有很多政府支持的计划正在进行中。英国开展了Fresson项目，用于短途和跨岛运输，预计于2022年首飞。德国航天中心DLR计划把道尼尔228改为电动飞机验证机，预计2021年进行首次混电飞行。柏林和巴伐利亚州政府计划赞助另一个电推进系统项目，采用专门研制的技术验证机APUS i-6。同时，法国政府正在支持一项由空客、Daher和赛峰开展的项目，把TBM900转化为分布式混合电推进系统。
　　3月，NASA计划加速电推进系统验证机发展，早日实现把技术应用到单通道飞机上的最终目标。为此，NASA 开展了“电气化动力系统飞行验证”项目，该项目是X-59 QueSST低噪声超声速飞行验证机的后续项目。该项目将于2021财年启动，验证1兆瓦功率范围内的电气化推进系统技术，所装备飞机预计于2030~2035年服役。
　　8月，美国能源部先进研究项目局（ARPAE）宣布启动两个研究项目，为全电的150~200座窄体客机研发推进技术。ARPAE计划投资3500万美元开展“一体化驱动的航空级协同式冷却电动机”计划。另外投资2000万美元同步开展“低碳高效电气化航空延程”计划。2021年，ARPAE计划完成关键设计评审，验证从某涡扇发动机高低压转子提取大功率。把兆瓦级电机/发动机与燃气涡轮轴集成到一起，可以提取电力或存储能量，减小设计裕度，提高效率，或许可使涡扇发动机更小、耗油更少。这种方法使电池重量最小化，是研制单通道客机混合电推进系统的第一步。
　　Ampaire公司正在赛斯纳337“天空大师”飞机上测试混电验证机，目标是配装4~6座飞机。在NASA授予其的EAP合同下，Ampaire正与Ikhana飞机服务公司合作研究把19座加拿大德·哈维兰公司DHC-6“双水獭”的动力改成混电推进系统。Wright公司则在进行配装9座飞机的混电推进系统地面试验，目标是私人航空市场。该公司已经公布他们正在研发1.5兆瓦、3千伏动力系统，希望能配装186座短程电动飞机在2030年左右服役。波音和多家子公司及合作伙伴一起在城市空中交通项目下研究小尺寸电推进系统。GE航空已经测试了1兆瓦电机，并验证了从F110双转子发动机内提取1兆瓦功率。
　　GE研究中心正在一项与NASA合作的价值1200万美元的项目下，利用碳化硅动力电子器件研发飞行准备状态1兆瓦DC-AC电流换向器。该换向器的飞行试验将在NASA位于俄亥俄州梅溪站的电动飞机试验设备模拟的9144米高空条件下进行。普惠对其承担的NASA项目进度保密，很有可能他们正在根据飞机优化需求，研究兆瓦级电动机/发电机与第二代齿轮传动涡扇发动机的集成。柯林斯宇航公司和普惠加拿大正在基于加拿大德·哈维兰公司冲8设计并联式混电验证机。
　　2月，空客公司E-Fan X混电推进验证机完成了风洞试验，为其气动设计、低速性能和操纵品质积累了数据。在测试过程中，E-Fan X安装在Filton低速风洞上，风洞测试段尺寸为3.65米×3.05米。巨型风扇以348千米/时的速度送入空气。安装在测试模型上的小型传感器使工程师能够从不同角度分析空气的流动。E-Fan X模型飞机比例为1:8，在模型飞机超过3m的翼展上进行了流动测试。罗罗认为，虽然E-Fan X验证飞机项目取消了，但为E-Fan X 开发的发电系统却仍可以应用于未来任何可能的飞机项目。
　　2020年，俄罗斯中央航空发动机研究院（CIAM）作为俄罗斯“电动飞机SU-2020”科研工作的牵头单位，正在联合另外4家俄罗斯公司的相关力量，为支线飞机研制使用替代燃料的混合动力装置。“电动飞机SU-2020”是俄罗斯联邦工业和贸易部委托的一个国家项目，项目研发历时3年，是“Electrolet SU”研发的延续。该电动机由超级奥克斯公司在预研基金项目下研制，具有高温超导效应和低温系统，与传统电气设备相比，能够保证混合动力装置的单位功率更高、各电器部分（电动机、发电机、输电系统）的效率更高。
　　10月，CIAM完成了由TV2117涡轴发动机及发电机构成，作为混合动力系统主电源的涡轮发电机试验。涡轮发电机功率为400kW，由CIAM与乌法国立航空技术大学的专家利用最新的电子技术研制而成。混合动力系统验证机的工作能力和安全性得到验证之后，将装在雅克-40飞机平台上进行飞行试验，该飞行试验计划于2022年进行。
　　7月，英国BAE系统公司致力于为Jaunt Air Mobility等公司的eVTOL系列电动飞机生产更小、更轻的电能系统。BAE系统公司正在减小电推进飞机的电能管理和发动机控制技术的尺寸和重量，已经生产出的设备比目前在大型涡扇发动机上使用的设备尺寸要小40%，而且重量更轻，处理能力却将提高10倍。BAE公司希望从2021年中期开始，其电能管理设备可以用在各种在研原型机上。
　　新一代超声速客机研制持续推进
　　近年来，欧美多家公司都推出了超声速客机的研发计划，而GE、罗罗公司也在为其提供可用的发动机。2020年，超声速客机领域取得了一定进展，后续可能会加速发展，民用超声速客机发动机可能会独立成为一个研究领域，需要高度关注。
　　10月，美国Boom超声速公司推出XB-1超声速飞机，这是该公司推出的首架超声速客机演示样机。Boom公司设计、研发、制造了XB-1，并计划于2021年首飞。2020年XB-1正在进行地面测试，并计划于2021年前往加利福尼亚州莫哈韦进行飞行测试。8月，罗罗公司被选中为Boom超声速公司Ma2.2的Overture大型客机和维珍银河公司的Ma3客机提供推进系统。
　　8月，GE公司已经为NASA的X-59 QueSST（静音超声速技术）高超声速客机技术验证机交付了第1台F414-GE-100发动机。X-59飞机可在1.68万米高空以超声速巡航，其噪声比SST或“协和”飞机等超声速飞机要小得多。X-59 QueSST被《大众科学》杂志评为2019年最伟大的100项技术创新之一。其动力F414GE-100发动机是F414战斗机发动机的商用单发改型，推力为97.9千牛，安全性高。2019年底，GE公司完成了首台F414-100发动机的验收试验。
　　各国新一代民用航空发动机产品研制稳步推进
　　2020年，美国GE公司的GE9X发动机研制进程顺利，获得了FAA的型号认证。与此同时，俄罗斯新一代MS-21干线客机采用的PD-14发动机也顺利完成了装机试飞，俄罗斯的PD-8发动机完成了核心机试验，为2023年型号认证铺平了道路。
　　1月，波音公司宣布配装GE9X发动机的波音777-9在波音机场安全着陆，完成了777X首飞，发动机为两台GE9X。在准备用于777X飞行试验之前，GE9X已完成超过4100小时的地面和空中试车，以及6500次循环，并在波音747飞行试验台上进行了72次飞行试验，共计完成了超过400飞行小时。为了支持波音777X试飞，GE公司已生产了8台GE9X发动机和2台备份。
　　9月，GE9X发动机已经获得美国FAA认证，GE已向波音交付10台套GE9X发动机，供4架777X试飞飞机使用。10月，GE计划在2020年底前完成GE9X发动机延程飞行批准试验。发动机取证期间，试验发动机累积运转5000小时和8000个循环。
　　8月，俄罗斯中央航空发动机研究院牵头与“航空发动机”设计局一起研发了PD-14发动机上装配的具有先进冷却系统的高压涡轮单晶叶片。该叶片可以在燃气温度高达2000K（1726.85℃）的情况下工作。和PS-90发动机相比，钛合金空心宽弦风扇叶片成功地将风扇效率提高了5%，低排放燃烧室是由金属间化合物制成，其消音结构是由复材组成，热端部件、空心低压涡轮叶片等具有陶瓷涂层。
　　整个2020年，俄罗斯都计划开展PD-14发动机配装MS-21飞机首飞，但由于各种原因有所推迟。12月15日，配装PD-14发动机的MS-21客机在俄中南部的伊尔库茨克成功完成首飞。此次首飞测试了客机工作的稳定性、可控性、发动机工作状态和其他各系统功能，飞行时长共计1小时25分钟。7月，俄技集团透露，正在为SSJ-100和别-200飞机研制全国产的PD-8涡扇发动机，并计划2023年完成型号认证。PD-8发动机将取代SSJ-100目前的发动机—动力喷气公司生产的SaM146发动机。为确保军民用飞机均采用国产发动机，俄技集团正在MS-21飞机配装的PD-14发动机核心机基础上，新研发PD-8发动机，这型多用途动力装置可用于苏霍伊SSJ-100型和别-200飞机，以及先进新型直升机。按计划PD-8发动机核心机研制将在2021年完成，该发动机将在2023年取得认证。
　　7月，俄技集团表示，俄罗斯民用直升机卡-226、安萨特、VRT-500和卡-62直升机配装的都是国外制造的涡轴发动机。为此，俄罗斯联合航空发动机集团公司新研制了VK-650和VK-1600发动机，计划在2023年完成认证。按计划，2021年制造出第一批原型机，2023年进行认证。VK1600发动机也将同期认证。
　　2020年，罗罗公司完成了超扇发动机多个部件系统的制造。2月，罗罗公司正在生产“超扇”验证发动机的零件，已经开始制造复合材料风扇叶片，其最终直径达到3.55米，这些部件均由该公司在英国布里斯托尔的技术中心制造。罗罗公司承诺，UltraFan将使燃油消耗降低25%。
　　7月，ITP航空公司为超扇发动机验证机设计的首个中压涡轮机匣已进入最终制造阶段，机匣制造过程中采用了新的粉末热等静压技术，使制造所需的原材料减少了多达60%。制造过程包含在罐内对粉末状高温合金进行高压高温压制成型，获得接近最终机匣的几何形状。